Experimente mit schiefer Beleuchtung

[D.Mon]

Hallo zusammen,

...
Die reale Auflösung wird durch eine nahezu der jeweiligen NA des Objektives angepasste Aperturblende bestimmt, egal ob mit normalem Hellfeld oder schiefer Beleuchtung gearbeitet wird.
...

Vielleicht habe ich etwas missverstanden, aber bei mir stellt sich der Effekt der schiefen Beleuchtung nur ein, wenn ich die Aperturblende deutlich weiter öffne, als bei normaler Hellfeldbeobachtung und so habe ich das auch in diversen Veröffentlichungen gelesen.

Natürlich darf man nicht zusätzlich die APerturblende schließen, sondern muss den Kondensor seitlich versetzen, so dass das Zentrum des Kondensors unter dem Rand des Objektivs zu liegen kommt.

Den Kondensor zu versetzen habe ich vor einiger Zeit probiert, damit aber keine überzeugenden Ergebnisse erhalten.

Zurzeit experimentiere ich übrigens mit schiefer Beleuchtung im Dunkelfeld.
Je nach Art des Objekts, glaube ich hier eine deutlich erkennbare höhere Auflösung zu erkennen.
Manchmal bin ich mi aber nicht sicher, ob die Erkennbarkeit von Strukturen auf eine Erhöhung der Auflösung oder die des (vorher nicht wahrnehmbaren) Kontrastes zurückzuführen ist.

Viele Grüße
Martin

[Lupus]

Hallo Martin,

das Hauptproblem dieser Diskussion ist dass z.T. über unterschiedliche Dinge und Annahmen gesprochen wird. Und wenn man in die "Abgründe" der Beugungstheorie hinabsteigt sollten wenigstens gleiche Vorstellungen über die geometrische Optik bestehen und nicht über Aufbau und Funktion der Köhler-Beleuchtung gestritten werden müssen.

aber bei mir stellt sich der Effekt der schiefen Beleuchtung nur ein, wenn ich die Aperturblende deutlich weiter öffne, als bei normaler Hellfeldbeobachtung

Wenn ich Dich anfangs richtig verstanden habe nutzt Du keine Blende in der richtigen Aperturblendenebene des Kondensors. Dann sind die Aussagen über die optimale Blende bei schiefer Beleuchtung sowieso nicht zutreffend. Das gilt möglicherweise auch für Veröffentlichungen die Du gelesen hast. Da wird viel improvisiert.   

Hubert

[piu58]

So, jetzt mein Nachtrag zum Differential-Phasenkontrast bei schiefer Beleuchtung. Hier erst mal die Kurzfassung, wobei ich mich in Anlehnung an den größten Optiker aller Zeiten an einer Gitterstruktur orientiere.

Ein Gitter erzeugt bei gerader Beleuchtung in der Aperturebene des Objektivs ein Beugungsmuster. DIeses Beugungsmuster wird aufgenommen und für jeden Einfallswinkel in eine kleine helle Scheibe umgesetzt, die sog. Airy-Scheibe. Das gesamte Bild kann man sich aus solchen Airy-Scheiben zusammengestzt denken.

Wenn das zentrale Gitterelement zum Phasenobjekt wird, dann ändert sich dieses Beugungsmuster. Es beleibt aber symmetrisch (logisch). Der Helligkeitsverlauf in der Beugungsscheibe ändert sich etwas, das ist aber kaum zu erkennen. Am ehesten noch durch Abblenden, dadurch wird diese Scheibe (herrührend von einem Phasenobjekt in der Umgebung von reiner Transparenz) etwas dunkler.

Bei schräger Beleuchtung sind diese Airy-Scheiben nicht symmetrisch. Da sie das im selben Bildgebiet alle ungefähr in derselben Weise sind, ergibt sich dennoch ein regelmäßiges Muster. Wenn nun das zentrale Gitterelement zum Phasenobjekt wird. dann verschiebt sich der Helligkeitsverlauf dieser einen Beugungsscheibe. Insbesondere wird das Helligkeitszentrum verschoben. Dadurch stoßen jetzt auf der einen Seite zwei helle Bereiche der Beugungsscheiben zusammen, auf der anderen Seite entsteht eine ungewöhnlich großer dunkler Bereich. Das ist der "Schatteneffekt". In wirklichkeit wirft nichts Schatten, sondern Phasendifferenzen führen zu einer geänderten Helligkeitsverteilung.

[piu58]

Jetzt noch die Langform.

Ich habe das Beugungsgitter numerisch simuliert und die Beugungsfigur auf einer Art Leuchtschirm aufgefangen. Das erste Bild zeigt dieses Bild aus einem Gitter von 9 Elementen. Die x-Achse ist die Koordinate auf dem Leuchtschirm, die y-Achse die Helligkeit, kalibriert auf 100% im Hellgkeitsmaximum. Für diese Anordnung gibt es eine theoretische Formel. Die stimmt mit meiner SImulation für 3 und 5 Elemente überein, weicht aber danach stärker ab. Wahrscheinlcih geht die Formal auf gewölbte Gitter (ABstände in Winkeln) und ich rechne flach. Aber ich bin so weit zufrieden, dass ich nicht irgendwelchen Mist simuliere.

Man sieht schön die Nebenmaxima, welche von der Apertur des Objektivs erfasst werden müssen, um Auflösung zu erreichen. Im Bild enthalten sind auch noch die Nebenmaxima 2. Ordnung, diese sind viel kleiner. Der Abstand zwischn den Nebenmaxima ist immer gleich groß.

Das zweite Bild zeigt dieselbe Anordnung, nur das mittlere Gitterelement verschiebt die Phase um λ/2. Das Muster ist ganz anders, aber es ist immer noch symmetrisch. wie sollte es auch anders sein bei einer symmetrischen Geometrie. Wenn man das Licht bis zu den Nebenmaxima von der Apertur auffängt, dann hat man auch etwa dieselbe Lichtmenge (so nach Augenmaß), und die Helligkeit der Beugungsscheibe ist ähnlich.
Wenn man allerdings die Aperturblende zuzieht, dann erwischt man schließlich nur den innersten Teil. Dieser ist beim Phasenobjekt viel schwächer. Auf Kosten der Auflösung sieht man also auch im geraden Licht ein Phasenobjekt. Kosten der Auflösung: Beim Schließen der Aperturblende wird die Beugungsscheibe größer.

Das dritte Bild ist mit einem normalen Gitte bei schiefer Beleuchtung (10 Grad) berechnet. Das Beugungsbild liegt jetzt nicht mehr um x=0 herum. Dennoch ist es erstaunlich symmetrisch. Wenn man den Lichtanteil links und rechts vom Maximum berechnet, dann ist es es rechts (zu größeren x-Werten) etwas heller, knapp 10%. Das hat nichts mit dem allgemeinen Gradienten zu tun, sondern mit der Helligkeitsverteilung innerhalb einer Beugungsscheibe. Diese ist auf einer Seite etwas heller, und zwar lichtab.

Das letzte Bild zeigt die Helligkeitsverteilung, wenn das zentrale Gitterelement ein Phasenobjekt ist, und wieder eine Verschiebung um λ/2 hervorruft. Wieder ist das Beugungsmuster stark verändert, aber zusätzlich zu dieser Veränderung ist es stark asymmetrisch geworden. Damit verschiebt sich der Schwerpunkt der Helligkeit im Beugungsscheibchen. Dadurch kommt, wie im ersten Teil geschrieben, der Schatteneffekt zu Stande. Bezüglich des alten Helligkeitsmaximums (was ja die Referenz des regelmäßigen Musters ist, was diesen eine Abweichler umgibt) ist jetzt die linke, lichtzugewandten Seite etwas heller. Nur 3%, aber das gleich ja auch die 10% Lichtabfall aus, die im normalen Fall vorhanden sind. 13% Helligkeitsänderung, das sieht man ohne Probleme.

Ich hoffe, ihr könnt das nachvollziehen. Wer selbst ein wenig daran herumrechnen will, der möge mich anschreiben. Ich kann das Python-Programm weitergeben.

[Lupus]

Hallo Uwe,

mit einem Gitter, bei dem nur ein einziges Gitterelement Phasenobjekt ist, kannst Du den "Schatteneffekt" der schiefen Beleuchtung nicht erklären. Vor allen Dingen nicht wenn dazu die Helligkeitsverteilung der benachbarten Amplitudengitterelemente benötigt wird.

Und die Amplitude Deiner gerechneten Beugungsbilder, die nur die Fouriertransformierte des Gitters darstellen, steht nicht in direktem Zusammenhang mit der Bildhelligkeit. Die zugehörige Phase ist dabei gleich wichtig.

Hubert